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塑料成型工艺与模具设计河北工程大学机电学院教材：塑料成型工艺及模具设计，叶久新、王群主编，机械工业出版社，2008课程设计教材：塑料模具设计指导，伍先明等编著，国防工业出版社，2006塑料模具设计指导与资料汇编，大连工业出版社，2007相关事宜学时：40，其中讲课36学时，实验4学时。联系方式：李丽，138310832762教-405材料成型教研室本课程的任务及要求4.基本掌握压注模具、压缩成型模具\挤出成型及其它成型方法的工艺过程及模具设计方法。1.系统了解塑料的成份、类型、性能。2.掌握塑料成型的基本理论知识。3.熟练掌握注射成型的工艺过程、工艺参数的选择及模具设计方法。1.塑料：以合成树脂（高分子聚合物）为原料，在一定温度和压力条件下可塑化成型,产品最后能保持形状不变的高分子材料。2.高分子聚合物：由一种或多种简单低分子化合物单体通过聚合反应形成相对分子质量很大的化合物。例如：聚氯乙稀（PVC)就是由许多个氯乙烯（CH2=CHCl)单体通过聚合反应形成的长链大分子。方括号内为高聚物的结构单元，也是其重复结构单元并简称为重复单元，也称为链节。n代表重复单元数，又称为平均聚合度。第1章塑料成型的基本知识1.1聚合物的结构和性能高分子聚合物一般是利用煤或石油中得到的有机小分子化合物作为单体，通过聚合反应而合成的。具体的合成方法有加聚反应、缩聚反应等。1.加聚反应由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。注:在此反应过程中除了生成聚合物外，再没有任何其他产物生成，聚合物中包含了单体的全部原子。一、高分子聚合物的形成2.缩聚反应由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）某种低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。如：聚酰胺是用已二胺和已二酸作为单体通过缩水聚合反应形成的长链高分子，同时形成水。（1）线型高分子（2）支链型高分子这两类高分子链在热塑性塑料中存在，这些分子通常互相缠绕但并不连接在一起，受热后具有可塑性,可以被反复地加热和冷却，进行循环利用。（3）网状（体型）高分子链状高分子链由于交联反应结合成网状结构。由于分子链与链之间产生了化合反应，这些网状结构既不熔化也不溶解。在热固性塑料中存在。二、高分子聚合物的结构1.聚合物的长链结构2.聚合物的聚集态结构聚合物的聚集态结构是聚合物分子链之间的排列和堆砌结构。是决定聚合物本体性质的主要因素。（1）晶态分子链规则排列且紧密，分子间吸引力大，分子链运动困难。熔点、强度、耐热性和抗熔性等性能好。（2）非晶态（玻璃态）分子链呈无规则排列，而且无规缠结，分子链活动力大。弹性、伸长率和韧性等性能好。（3）部分晶态聚合物的物理状态与温度的关系曲线：1—线型非晶态聚合物；2—线型晶态聚合物mT玻璃态高弹态粘流态12TxgT()fmTTdT（脆化温度）（玻璃化温度）（粘流温度）（分解温度）三、高聚物的物理状态、力学状态和加工适应性聚合物在不同温度条件下表现出的分子热运动特征称为聚合物的物理状态。非晶态线型聚合物的物理状态分为玻璃态（晶态线型聚合物称为结晶态)，高弹态和粘流态。1.线型非晶态高聚物（1）玻璃态塑料处于Tg温度以下的固体，是大多数塑件的使用状态。Tg：玻璃化温度，是大多数高聚物成型加工的最低温度。分子链与链段的运动被冻结，当施加外力时只能引起原子间键长与键角的微小变化特点：形变量小、瞬时完成并具有可逆性。加工适应性：只适用于机械加工玻璃态高弹态粘流态12TxgT()fmTTdT(2)高弹态温度升高，分子动能逐渐增大，链段开始运动。特点：类似橡胶状态的弹性体，弹性变形量大，仍具有可逆变的形变性质。加工适应性：压力成型、真空成型、中空成型。玻璃态高弹态粘流态12TxgTdT注：为得到所需形状和尺寸的塑件，成型后需快速冷却到Tg温度以下。（3）粘流态若温度继续升高，分子的动能更大，增加到使链段与整个高分子链都可移动的程度。塑料成为能流动的粘流液体，通常也称之为熔体。特点：塑料在这种状态下的变形不具可逆性质，一经成型和冷却后，其形状永远保持下来。加工适应性：挤出、吹膜、注射、贴合及熔融纺丝等加工玻璃态高弹态粘流态12TxgTdT1—线型非晶态聚合物；2—线型晶态聚合物mT玻璃态高弹态粘流态12TxgT()fmTTdT（脆化温度）（玻璃化温度）（粘流温度）（热分解温度）（熔点）2.线型晶态聚合物Tf对应的是熔点Tm完全结晶的聚合物在Tg与Tm之间基本不呈现高弹态注：对于线型聚合物玻璃态是材料的使用状态，Tg是衡量材料使用范围的重要标志之一Tg越高其对环境温度的适应性越强Tf(Tm)和Td可用来衡量聚合物的成型性能Tf(Tm)低时，有利于熔融，生产时热能消耗小。Tf(Tm)~Td温度区间大时，聚合物熔体的热稳定性好，聚合物成型加工就越容易进行。1.2聚合物的流变性质流动和变形是塑料成型加工中最基本的工艺特征。粘流态的聚合物在外力作用下，相互交缠卷曲的大分子链将会沿受力方向发生解缠，伸直以及相对滑移，从而表现出一种变形量很大的宏观流动。一、聚合物的粘弹性质1.成型过程中的应力和应变2.聚合物变形流动时的粘弹性质塑料熔体在成型过程中的变形和流动同时具有弹性和粘性性质3.塑料变形的滞后效应与松弛滞后效应：变形对应力的滞后响应松弛：变形与应力之间的平衡过程时效变形：塑料脱模后存在较大的残余内应力，将通过聚合物中分子的变形与重排而逐步释放。时效变形可通过退火处理来消除二、聚合物的流动规律流体剪切粘度雷诺数1.流体的流动状态层流：Re2100湍流：Re4000大多数聚合物由于有很高的粘度，加上成型时流速不允许过高，所以塑料在成型加工过程中的流动基本上是层流。流体在平直圆管受切应力发生的流动形式有层流和湍流。2.牛顿型流体描述流体层流的最简单规律是牛顿流动定律牛顿在研究液体流动时发现，温度一定时，低分子液体在流动时的切应力和剪切速率之间存在着如下关系：式中，—液层之间的单位距离内的速度差，称为速度梯度—单位时间内的切应变，称为剪切速率。—比例常数，称为剪切粘度或牛顿粘度。凡是液体层流时符合牛顿流动规律的通称牛顿流体。其特征为应变随应力作用的时间线性地增加，且粘度保持不变（定温情况下），应变具有不可逆性质，应力解除后应变以永久变形保持下来。（1-1）3.非牛顿型流体指数流动规律式中K—与聚合物和温度有关的常数，可反映聚合物熔体的粘稠性，称为粘度系数；n—与聚合物温度有关的常数，可反映聚合物熔体偏离牛顿流体性质的程度，称为非牛顿指数。绝大多数的聚合物熔体都表现为非牛顿流体。这些聚合物熔体都近似地服从指数流动规律。（1-2）上式可改写为：设于是，式（1.3）改写为式中，（1.3）（称为流变方程）（1.4）（称为流动方程）（1.5）—非牛顿流体的表观粘度。讨论：n值可以用来反映非牛顿流体偏离牛顿流体性质的程度n＝1时，，意味着非牛顿流体变为牛顿流体。n≠1时，绝对值∣n－1∣越大，流体的非牛顿性越强，剪切速率对表观粘度的影响越强。Kay宾哈流体牛顿型流体假塑性流体复合型流体图1.6不同类型流体的流动曲线剪切速率切应力膨胀性流体塑料熔体的类型在聚合物流变学中，凡是服从指数流动的非牛顿流体，统称为粘性流体。不同类型流体表观粘度与剪切速率的关系膨胀性流体牛顿型流体假塑性流体表观粘度剪切速率“剪切变稀”：假塑性流体的表观粘度随剪切速率的增加非线性下降的现象。“剪切增稠”：膨胀性流体的表观粘度随剪切速率的增加非线性升高的现象。3.影响聚合物粘度的因素（1）聚合物结构和其他组分对黏度的影响大分子链柔顺性较大的聚合物，链间的缠结点多，链的解缠、伸长和滑移困难，熔体流动时非牛顿性强1)分子结构2)相对分子质量聚合物相对分子质量越大，大分子链重心移动减慢。要完成流动过程就需要更多的时间和更大的剪切速率。所以聚合物粘度随着分子量增加而增大。3)相对分子质量分布(聚合物内大分子之间相对分子质量的差异）差异越大，相对分子质量分布越宽，聚合物熔体的粘度越小，非牛顿性越强，对剪切速率越敏感。（2）温度对粘度的影响随温度升高，体积膨胀，有利于大分子的变形和流动，从而降低了熔体的粘度。（3）压力对粘度的影响压力增大，意味着分子间空间缩小，使分子链运动困难，熔体的粘度增大。（4）助剂对粘度的影响一般情况下，聚合物中添加其他助剂后，大分子之间的相互作用力会发生变化，熔体黏度也将发生改变。增塑剂和润滑剂能明显降低熔体粘度，而多数填充剂能提高粘度。三、高分子聚合物的弹性聚合物是一种具有弹性固体和粘性液体的双重性质的粘弹性材料。1.聚合物熔体的弹性类型剪切弹性切变模量拉伸弹性拉伸弹性模量/RG/RE2.聚合物熔体流动过程中的弹性行为端末效应和失稳流动1)端末效应在导管入口和出口端出现的与聚合物熔体弹性行为有紧密联系的现象称为入口效应和出口膨胀效应，合称为端末效应2）失稳流动聚合物熔体以较高的剪切速率注射成型时，大分子链几乎被完全拉直，继续变形就会呈现很大的弹性性质，导致其熔体的流动无法保持稳定层流而变成弹性湍流，各种因素互相干扰，这种现象称为失稳流动。引起失稳流动的切应力和剪切速率分别称为极限切应力和极限剪切速率。聚合物熔体变得粗细不均，没有光泽，表面出现粗糙的鲨鱼皮状。特点：剪切速率或切应力继续增大时，熔体表现出波浪、竹节形或周期螺旋形，甚至相互断裂成不规则的碎片或小圆柱块的现象，称为熔体破裂。聚合物的相对分子质量增加和相对分子质量分布变窄，熔体的非牛顿性增强，弹性行为越突出，熔体发生失稳流动倾向增大。1)分子结构2)温度温度升高可提高失稳流动时的极限切应力和极限剪切速率，减小失稳流动范围。3.影响失稳流动和熔体破裂的因素选择合适的过渡收敛角及其过渡长度，并使过渡的表壁呈现流线状时。可以减小失稳流动倾向。3)流道结构四、聚合物熔体的充型流动充型：高温聚合物熔体在注射压力的作用下，通过流道和浇口后在低温型腔内流动和成型的过程。1.浇口和型腔对熔体充型流动的影响1）浇口的横截面高度和型腔的深度相差很大高速充型，易产生喷射现象2）相差不大中速充型，熔体以较平稳的扩展性运动流动3）接近熔体低速平稳的扩展流动充型2.扩张流动充型与熔接痕聚合物熔体以层流的方式在型腔内进行扩张流动，随着料流前沿运动的不同特点可将充型运动过程分为三个典型阶段：前锋料流呈辐射状流动的起始阶段前锋料流呈圆弧形的过渡阶段以粘流性熔膜为前锋料头的匀整运动主阶段当熔体在型腔中流动的过程中遇到型芯和嵌件等障碍物时，熔膜将被分成两股，最终在两股料流的汇合处产生熔接痕。通常，熔体的温度越低，塑件在熔接痕处的强度越差。一、聚合物的结晶1.聚合物的结晶现象（1）结晶的概念聚合物熔体在高温向低温固态转变过程中，分子链的结构形态能形成既是近程有序，又是远程有序的稳定排列的过程称为结晶过程。分子结构简单、对称性高，或分子链节较大但分子间作用力也很大的聚合物如聚乙烯、聚酰胺等容易结晶。而分子链上有很大侧基和分子刚性大的聚合物如聚碳酸酯、聚苯乙烯等不容易结晶。聚合物结晶的特点:主要表现有晶体不整齐、结晶不完全、结晶速度慢和没有明晰的熔点等。结晶形状一般为球晶，在高压力下为纤维状晶体。1.3聚合物成型过程中的物理行为非晶体聚合物球状晶体纤维状晶体聚合物结晶后期发生在初晶结构下不完善的部位，或是发生在初始结晶残留下的非晶区内的结晶现象。（3)二次结晶和后结晶1)二次结晶聚合物成型时，一部分来不及结晶的区域在成型后发生的继续结晶过程，称为后结晶现象。后结晶常常在初晶的界面上生成并发展，促使聚合物内的晶体进一步长大。2)后结晶二次结晶和后结晶都会使制件的性能和尺寸在使用和储存过程中发生变化，可利用对制品进行退火热处理促进制件内的晶体结构趋于完善。3）改善方法（4）结晶速度和结晶度1）结晶速度反映了聚合物在外部条件作用下呈现出的结晶能力。生产中常用半结晶周期或结晶速度常数k作为评价结晶速度和结晶能力的指标。2）结晶度聚合物内结晶组织的质量（或体积）和聚合物总质量（或体积）之比，主要用来表征结晶程度。（大多数聚合